Что такое технология ZigBee и как она работает?

Что такое ZigBee?

ZigBee - это широко используемый протокол беспроводной связи для Интернета вещей (IoT) и межмашинного взаимодействия (Machine-to-machine).M2M) приложения. Основной целью создания низкоскоростной беспроводной технологии является достижение низкого энергопотребления конечных устройств. Стандарт беспроводной связи ZigBee основан на стандарте персональных сетей IEEE 802.15.4. Он работает в нелицензируемый спектр диапазонов 2,4 GHz, 900 MHz и 868 MHz. Помимо низкой скорости, устройства ZigBee отличаются меньшим энергопотреблением, что обеспечивает длительное время автономной работы. Именно в этом устройства ZigBee имеют свои преимущества перед аналогичными беспроводными технологиями малого радиуса действия, такими как Bluetooth и Wi-Fi. Так как устройства Wi-Fi и Bluetooth имеют очень малое время автономной работы по сравнению с устройствами ZigBee. Рабочий диапазон устройств ZigBee находится в пределах 10 м - 100 м. Предложение о создании ZigBee было сделано альянсом, известным как ZigBee Alliance, созданным около 2002 года. Затем, в 2005 году, была анонсирована версия ZigBee 1.0 как беспроводная персональная сеть (WPAN) стандарт. Когда дело доходит до вопросов безопасности, ZigBee имеет свои преимущества перед конкурентами, такими как Wi-Fi. Благодаря всем этим многообещающим характеристикам ZigBee широко используется во многих вертикалях и приложениях и завоевывает огромную популярность на рынке.

Сетевые технологии ZigBee

Прежде чем перейти к рассмотрению основных принципов работы сети ZigBee, следует выделить несколько типов узлов ZigBee. В каждой сети ZigBee есть как минимум один координатор, несколько маршрутизаторов и множество конечных устройств. Координатор обладает следующими характеристиками:

• Он не должен простаивать в любой ситуации.
• Он инициализирует сеть, выбирая канал и PAN ID.
• Маршрутизирует данные в сети и позволяет маршрутизаторам и конечным устройствам подключаться к сети.

Маршрутизатор обладает следующими функциями:

• Маршрутизатор обязательно должен присоединиться к сети перед передачей и приемом данных
• Маршрутизирует данные в сети
• Она не должна простаивать

Конечное устройство обладает следующими характеристиками:

• Он может переходить в спящий режим, когда не передает данные.
• Он может отправлять и получать данные только через своего родителя

Определив основные компоненты сети ZigBee, далее мы рассмотрим различные топологии сети ZigBee. Сеть ZigBee может быть реализована с использованием топологии "звезда", где координатор ZigBee является центральным узлом управления. Этот центральный узел собирает всю информацию со всех подключенных сенсорных узлов. Топология "дерево" - еще одна известная топология сетей ZigBee. Эта топология имеет структуру дерева, ветвей и листьев. Сеть ZigBee может быть реализована и с помощью топологии Mesh. Однако, поскольку только конечные устройства способны спать, сети ZigBee не могут быть реальными Ячеистые сети. Поэтому для реализации Mesh-сетей используется протокол, известный как "DigiMesh".

Архитектура ZigBee

Архитектура ZigBee состоит из пяти основных уровней. К ним относятся (снизу вверх):

1. Физический уровень

Этот уровень определен стандартом IEE 802.15.4 WPAN Standard. Его основная обязанность - управление радиоприемником и передача ко1TP14Тандов и информации в виде пакетов данных между различными устройствами.

2. Уровень управления доступом к среде (MAC)

Этот уровень является промежуточным между сетевым и физическим уровнями. MAC-уровень также определен в стандарте IEE 802.15.4 WPAN. Он также отвечает за передачу кадров маяков для синхронизации.

3. Сетевой уровень

Этот уровень определен в спецификации ZigBee. На нем выполняются все сетевые операции. К ним относятся:

• Настройка сети
• Подключение и отключение конечных устройств
• Маршрутизация
• Конфигурация устройства

4. Подуровень поддержки приложений

Этот уровень предоставляет конечным устройствам услуги по взаимодействию с сетевым уровнем. Эти услуги предоставляются Application Support Data Entity и Application Support Management Entity.

5. Прикладной уровень

Это последний и самый верхний уровень в архитектуре ZigBee. Он содержит пользовательские приложения и объекты устройств ZigBee (ZDO). ZDO отвечают за обеспечение интерфейса между объектами приложений и подслоем поддержки приложений в устройствах ZigBee. Он также отвечает за привязку новых устройств и удаление существующих устройств из сети.

Когда стоит обратить внимание на ZigBee?

Прежде чем определить, почему ZigBee будет отличным кандидатом для вашего проектного приложения. Во-первых, давайте рассмотрим некоторые из доступных на рынке спецификаций ZigBee. Существует три основных спецификации ZigBee, а именно:

• ZigBee Pro: Обеспечивает маломощную связь между устройствами. Он также предлагает новую функцию "Green Power", где устройства с автономным питанием поощряются за счет сбора энергии.
• ZigBee RF4CE: Это простая спецификация ZigBee, в которой пользователю не нужны сложные возможности Mesh-сетей в стандарте ZigBee.
• ZigBee IP: эта спецификация обеспечивает создание полных беспроводных ячеистых сетей на базе протокола IPv6.

ZigBee идеально подходит для приложений, требующих низкого энергопотребления, с огромным количеством устройств, соединенных друг с другом. ZigBee не идеален для приложений, требующих высокой скорости передачи данных, и наиболее подходит для расстояний от 1 до 100 м. Он также подходит для приложений, требующих высокой надежности. Высокая надежность достигается благодаря сетям ZigBee Mesh. Еще одной интересной особенностью сети ZigBee Mesh является ее способность к самовосстановлению. Эта способность к самовосстановлению помогает сети автоматически восстанавливать себя в зависимости от изменений окружающей среды. ZigBee также оснащен встроенным шифрованием AES-128-CCM для обеспечения безопасности communication.

Преимущества и недостатки ZigBee

Давайте сравним ZigBee с другими наиболее востребованными в отрасли IoT и M2M WPAN-решениями.

Области применения ZigBee

ZigBee используется в различных вертикалях и отраслях современного мира благодаря низкому энергопотреблению и растущей популярности. ZigBee становится все более популярным, поскольку ZigBee Alliance растет с каждым днем, делая различные устройства совместимыми друг с другом. Одними из основных областей применения ZigBee являются:

• Умные приборы: К ним относятся умные бытовые приборы и умные устройства для мониторинга здоровья. Они ограничены определенным личным пространством, где требуется мониторинг и управление устройствами.
• Интеллектуальные системы освещения: Эти системы будут управлять изменениями освещенности в заданном пространстве, контролируя проникновение света либо дистанционно, либо с помощью собственных приложений.
• Интеллектуальные системы управления энергией: К ним относятся интеллектуальные счетчики и интеллектуальные устройства слежения за солнечной энергией, которые помогут пользователю отслеживать и контролировать важные переменные в окружающей среде и в коммунальном хозяйстве.
• Умные торговые пространства: Умные супермаркеты и розничные магазины могут использовать датчики и устройства на базе ZigBee для работы самообучающейся системы. К ним относятся умные тележки для покупок и полки для электроники.
• Интеллектуальные парковочные системы: ZigBee можно использовать для эффективного обслуживания парковочных мест, чтобы повысить требования пользователей.

Заключение

В заключение можно сказать, что ZigBee - идеальный кандидат для сетей WPAN, требующих низкого энергопотребления и низкой скорости передачи данных. С ростом числа организаций и отраслей, присоединившихся к ZigBee Alliance, это перспективная технология будущего.